Kornwachstumsförderung in Bariumzirkonat-Membranen durch beheizte Sputterabscheidung und Laser-Annealing

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Christiane A. Helm; Dr. Angela Kruth
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556920556

Akzeptor dotierte Bariumzirkonat-Perovskitsysteme zeichnen sich durch eine hohe chemische Stabilität und die höchste ionische Bulkleitfähigkeit aller bekannten Materialsysteme im Temperaturbereich 450°C-600 °C aus. Diese Materialen sind dadurch attraktive Elektrolyte in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Wasserstoffsensoren. Allerdings ist durch die frakturierende Eigenschaft des Zirkons und den sich in den Korngrenzen ausbildenden Raumladungszonen ist die reale protonische Leitfähigkeit in der Anwendung oft um 3 Größenordnungen niedriger. Um das Kornwachstum zu verbessern sind hohe Temperaturen über 1500 °C erforderlich, was jedoch zur Verdampfung des Bariums im Kristallsystem führt. Daher werden max 1 wt% an Sinterhilfen (zB. NiO) zugegeben um die Temperatur des resultierenden Eutektikums zu senken. Bei der Herstellung werden für die Anwendung dünne Schichten zur Reduzierung des Ohm’schen Widerstandes bevorzugt, was jedoch zusätzliche Herausforderungen an den Annealing Prozess stellt. Im Memgrain Projekt werden Bariumzirkonatschichten über ein Magnetron Co-sputter Prozess auf einem auf 800 °C beheiztes Substrat abgeschieden um bereits während des Schichtwachstums die Ausbildung der Perowskitphase über Sinterhilfen zu erreichen. Ein nachfolgender Laser Annealing Schritt wird angewendet, um die Kristallinität und damit die spezifische Leitfähigkeit der Dünnschichten zu verbessern. Begleitende optische Emissionsspektroskopie an Teilsystemen sollen dabei helfen die Abscheidungsbedingen komplexer Oxide besser aufzuklären und das Schichtwachstum zu optimieren. Ein besonderer Fokus liegt neben der Phasenreinheit und Leitfähigkeit in der Schichtspannung der Dünnfilme, welche durch Röntgenbeugung ermittelt wird und dabei hilft Vorhersagen über die Stabilität solcher Schichtsysteme zu treffen. Erstmals wird im Projekt die Protonendynamik für Dünnschichtsysteme auf der Nanosekunden-Skala durch Neutron Spin Echo Experimente gemessen und so ein Zusammenhang zwischen lokaler Protonendiffusion und makroskopischer Leitfähigkeit hergestellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Jiri Olejnicek, Ph.D.
• Mitverantwortlich: Dr. Jan Wallis